[论文解读] Factorized approach to radiative corrections for inelastic lepton-hadron collisions

Tianbo Liu, Wally Melnitchouk+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 63被引用 14

一句话总结

本文提出了一种因子化框架，通过将QED与QCD贡献同等处理，系统地重求和包含式与半包含式深度非弹性散射（DIS）中的QED辐射修正。该框架引入了通用的轻子分布函数与分裂函数（LDFs/LFFs），以重求和对数增强的QED辐射，从而能够一致地从轻子-强子散射数据中提取三维强子结构，对中等Q值及大横动量情形的修正可达50%。

ABSTRACT

We propose a factorized approach to QED radiative corrections for inclusive and semi-inclusive deep-inelastic scattering to systematically account for QED and QCD radiation contributions to both processes on equal footing. This is achieved by utilizing factorization to resum logarithmically enhanced QED radiation into universal lepton distribution and fragmentation (or jet) functions. Numerical simulations suggest that the QED effects induced by the rotational distortion of the hadron transverse momentum, arising from the mismatch between the experimental Breit frame and the true photon-hadron frame, can be as large as 50\% for moderate $Q$, and become increasingly important for large transverse momenta. Our framework provides a uniform treatment of radiative effects for extracting three-dimensional hadron structure from high-energy lepton-hadron scattering at current and future facilities, such as the Electron-Ion Collider.

研究动机与目标

• 开发一种统一的、因子化的QED与QCD辐射修正处理方法，适用于包含式与半包含式深度非弹性散射（DIS）。
• 系统地将对数增强的QED辐射重求和至通用的轻子分布函数与分裂函数（LDFs/LFFs）。
• 实现从高能轻子-强子散射实验中精确提取横动量依赖的部分子分布函数（TMDs）。
• 解决实验参考系不匹配的问题——特别是由于QED辐射导致的Breit参考系与真实光子-强子参考系之间的旋转畸变。
• 提供一种一致且红外安全的框架，适用于DIS、SIDIS、e+e−湮灭及Drell-Yan过程。

提出的方法

• 采用类似QCD的因子化方法，将短程硬散射部分与长程通用函数分离。
• 通过微扰演化方程，将所有阶数的共线QED辐射重求和至通用的LDFs与LFFs。
• 将截面定义为LDFs、LFFs与微扰可计算的硬散射部分（bHia→j）的卷积，所有对数增强项均被吸收至通用函数中。
• 应用共线与TMD因子化框架：当横动量满足PT ≫ pT时采用TMD因子化，当PT ∼ pT时采用共线因子化。
• 在MS方案中使用Leading-Order与Next-to-Leading-Order的LDFs与LFFs表达式，微扰修正包含轻子质量与因子化尺度的对数项。
• 在QED与QCD的Leading-Order下微扰处理硬散射振幅（bHia→j），所有QED修正均被重求和至LDFs与LFFs中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在包含式与半包含式DIS中系统地重求和QED辐射修正，以保持与QCD因子化框架的一致性？
• RQ2 QED辐射对从轻子-强子散射中提取横动量依赖的部分子分布函数（TMDs）有何影响？
• RQ3 由于QED辐射导致的参考系旋转畸变，实验中的Breit参考系与真实光子-强子参考系之间的不匹配，对强子横动量测量的扭曲程度有多大？
• RQ4 能否构建一个统一框架，使QED与QCD贡献在高能轻子-强子散射过程中得到同等处理？
• RQ5 在大横动量情形下，QED修正如何影响结构函数与部分子分布的确定？

主要发现

• 由于强子横动量参考系旋转畸变引起的QED效应，对中等Q值可达到50%的修正，且在大横动量区域愈发显著。
• 所提出的因子化框架将所有阶数的对数QED修正重求和至通用的LDFs与LFFs中，提供了统一且红外安全的处理方式。
• 该方法通过考虑原本会扭曲角调制与动量转移定义的QED辐射效应，实现了从轻子-强子散射中可靠提取TMDs。
• LDF与LFF在QED中可微扰计算，其下一阶近似表达式已在MS方案中推导，包含轻子质量与因子化尺度的对数项。
• 该框架不仅适用于DIS，还可推广至e+e−湮灭与Drell-Yan产生等过程，为辐射修正提供统一处理。
• 数值模拟证实，若忽略这些QED修正，将导致从实验数据中提取三维强子结构时产生显著的系统误差。